一种复合材料结构健康监测方法及系统

本发明涉及超声检测，尤其涉及一种复合材料结构健康监测方法及系统。

背景技术：

1、复合材料是由两种及以上性质不同的材料经复合工艺形成的多相材料，兼具各组分优势，其中碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymers, cfrp）因轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀的核心特性，已成为航空航天、高端装备等领域关键承力构件的首选材料。但碳纤维增强复合材料存在各向异性明显、层间性能薄弱、冲击与疲劳损伤隐蔽且扩展迅速、失效突发性强的问题。开展碳纤维增强复合材料的结构健康监测能够实时捕捉早期微损伤、精准评估结构运行状态与损伤演化规律，有效规避突发断裂等安全事故。

2、无损结构健康监测（structure health monitoring, shm）聚焦在役状态的实时、连续监测，可提前预警缺陷扩展风险，避免突发失效。传统超声检测依赖大型块状换能器、需耦合介质，且操作复杂、无法实现原位连续监测，难以满足shm的实时性、长期性稳定性要求，无法直接应用于碳纤维增强复合材料的监测。且在声传播方面，碳纤维增强复合材料具有显著的各向异性和层状结构，并且缺陷类型复杂，如分层、孔隙、纤维断裂等，导致单向的声波传播已发生畸变，传统的相干平面波复合成像算法，通过多角度平面波激励与回波相干叠加实现成像，未考虑异质材料波速各向异性，因此，容易导致监测结果不准确。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复合材料结构健康监测方法及系统，用于解决传统监测方法无法进行原位连续监测，且未考虑异质材料波速各向异性容易导致监测结果不准确的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种复合材料结构健康监测方法，包括：

4、获取待监测复合材料结构的结构特征参数以及pmut换能器的阵列参数；

5、根据所述结构特征参数以及所述阵列参数，确定目标平面波参数；所述目标面波参数包括平面波扫描范围、角度步长以及激励角度数；

6、控制所述pmut换能器按照所述目标平面波参数向所述待监测复合材料结构发射多角度的入射平面波，并采集反射平面波；所述反射平面波是多角度平面波发射至待监测复合材料结构后反射形成的信号；

7、根据所述入射平面波以及所述反射平面波，采用多角度相干平面波复合算法计算各发射角度对应的弹性波传播速度并根据所述弹性波传播速度对所述入射平面波以及所述反射平面波进行各向异性的延迟时间补偿，得到修正信号；所述弹性波传播速度包括入射平面波的等效声速和反射平面波的等效声速；

8、基于所述修正信号构建待监测复合材料结构的监测区域的b型超声图像，所述b型超声图像用于待监测复合材料结构的缺陷评估。

9、可选的，所述结构特征参数包括第一维度方向声速以及高度；所述阵列参数包括超声阵元间距、分数带宽以及所述pmut换能器发射的中心频率；根据所述结构特征参数以及所述阵列参数，确定目标平面波参数包括：

10、根据待监测复合材料结构的各向异性传播模型和密度确定第一维度方向声速；

11、根据公式：

12、;

13、确定平面波扫描范围的扫描偏角极值，并根据所述扫描偏角极值确定平面波扫描范围；

14、其中，为扫描偏角极值，为第一维度方向声速与中心频率的比值，为超声阵元间距；

15、根据公式：

16、；

17、确定角度步长；

18、其中，为角度步长，为高度；

19、根据所述扫描偏角极值以及所述角度步长确定激励角度数。

20、可选的，所述根据所述入射平面波以及所述反射平面波，采用多角度相干平面波复合算法计算各发射角度对应的弹性波传播速度包括：

21、根据公式：

22、；

23、计算第一偏转角度；所述第一偏转角度为入射平面波的偏转角度；

24、根据公式：

25、；

26、计算第二偏转角度；所述第二偏转角度为反射平面波的偏转角度；

27、根据克里斯托费尔方程，分别确定第一偏转角度对应的特征值以及所述第二偏转角度对应的特征值；

28、根据公式：

29、；

30、确定入射平面波的等效声速；

31、根据公式：

32、；

33、确定反射平面波的等效声速；

34、其中，为第j个第一偏转角度，为第i个第二偏转角度，为第一偏转角度对应的特征值，为第二偏转角度对应的特征值，为入射平面波的等效声速，为反射平面波的等效声速，为待监测复合材料结构的密度，i和j均大于0。

35、可选的，根据所述弹性波传播速度对所述入射平面波以及所述反射平面波进行各向异性的延迟时间补偿，得到修正信号包括：

36、根据公式：

37、；

38、计算延迟时间；

39、其中，为延迟时间，为第j个入射平面波的偏转角度；为成像点在第一维度方向上的坐标，为成像点在第二维度方向上坐标， 为第i个超声阵元在第二维度方向的坐标；

40、根据所述延迟时间对所述入射平面波以及所述反射平面波进行补偿，得到修正信号。

41、可选的，所述根据所述延迟时间对所述入射平面波以及所述反射平面波进行补偿，得到修正信号包括：

42、根据公式：

43、；

44、确定修正信号；

45、其中，为成像点为（x,z）的修正信号的复合像素强度，为入射平面波的入射角为时超声阵元的修正信号。

46、可选的，所述基于所述修正信号构建待监测复合材料结构的监测区域的b型超声图像包括：

47、将各成像点的复合像素强度映射到目标成像区域中，得到cfrp 样本监测区域的b型超声图像。

48、与现有技术相比，本发明提供的一种复合材料结构健康监测方法，包括：

49、获取待监测复合材料结构的结构特征参数以及pmut换能器的阵列参数；根据结构特征参数以及所述阵列参数，确定目标平面波参数；控制pmut换能器按照所述目标平面波参数向所述待监测复合材料结构发射多角度的入射平面波，并采集反射平面波；根据入射平面波以及反射平面波，采用多角度相干平面波复合算法计算各发射角度对应的弹性波传播速度并根据弹性波传播速度对入射平面波以及反射平面波进行各向异性的延迟时间补偿，得到修正信号；弹性波传播速度包括入射平面波的等效声速和反射平面波的等效声速；基于修正信号构建待监测复合材料结构的监测区域的b型超声图像。本发明创新性的将pmut换能器应用到复合材料结构的缺陷监测中，可以实现复合材料结构的原位连续监测。采用pmut换能器进行超声信号发射和接收，可以有效补偿各向异性复合材料的声衰减，提升缺陷检测信噪比与分辨率，同时，通过多角度相干平面波复合算法，结合其各向异性的特点，计算各发射角度的弹性波传播速度，通过各发射角度的弹性波传播速度可以精准计算成像点的时间延迟，有效补偿各向异性传播效应，从而提高成像的准确性，即提高复合材料结构缺陷监测的准确性。

50、第二方面，本发明还提供一种复合材料结构健康监测系统，应用于所述一种复合材料结构健康监测方法，系统包括：参数获取模块、pmut换能器、多通道超声激励电路、数据处理模块以及成像模块；所述pmut换能器与所述多通道超声激励电路相连；所述pmut换能器贴合在待监测复合材料结构的表面；

51、所述参数获取模块用于获取待监测复合材料结构的结构特征参数以及pmut换能器的阵列参数；并根据所述结构特征参数以及所述阵列参数，确定目标平面波参数；所述目标面波参数包括平面波扫描范围、角度步长以及激励角度数；

52、所述多通道超声激励电路用于根据目标平面波参数向所述pmut换能器发送激励信号；

53、所述pmut换能器用于在接收到所述激励信号后向所述待监测复合材料结构发射多角度的入射平面波，并采集反射平面波，将所述反射平面波发送给所述数据处理模块；所述反射平面波是多角度平面波发射至待监测样本表面后反射形成的信号；

54、所述数据处理模块用于根据所述入射平面波以及所述反射平面波，采用多角度相干平面波复合算法计算各发射角度对应的弹性波传播速度并根据所述弹性波传播速度对所述入射平面波以及所述反射平面波进行各向异性的延迟时间补偿，得到修正信号；

55、所述成像模块用于基于所述修正信号构建待监测复合材料结构的监测区域的b型超声图像，所述b型超声图像用于待监测复合材料结构的缺陷评估。

56、可选的，pmut换能器包括多个换能通道，多个所述换能通道按照一维或二维排布；所述换能通道包括多个按矩阵排列的超声阵元；同一换能通道内沿列向的所述超声阵元的半径不同；每个所述换能通道与所述多通道超声激励电路的一个发射通道对应连接。

57、可选的，系统还包括信号放大器、滤波器以及数据存储器；所述信号放大器的输入端与所述pmut换能器的输出端相连，所述信号放大器的输出端与所述滤波器的输入端相连，所述滤波器的输出端与所述数据存储器以及所述数据处理模块相连。

58、可选的，同一换能通道内沿列向的超声阵元的半径逐渐增大或逐渐减小。

59、与现有技术相比，本发明提供的一种复合材料结构健康监测系统的有益效果与上述技术方案所述一种复合材料结构健康监测方法的有益效果相同，此处不做赘述。